Живов_Кузнечно-штамповочное оборудование

Раздел II. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРЕССЫ

Рис. 8.15. Схемы редукционного (а) и дроссельного (б) клапанов

седла и жидкость может свободно протекать. На рис. 8Л 5, а показан редукцион­ ный клапан диафрагменного типа. Направление потока жидкости через входной 6 и выходной 3 каналы указано стрелками. Клапан 4 удерживается в открытом положении под действием силы сжатия пружины 7, прогиба диафрагмы 2 и рав­ нодействующей давления жидкости в полостях 5, 7, 8.

Принцип действия редукционного клапана состоит в следующем. При изме­ нении, например увеличении, давления в полости 7 в первый момент возрастает давление в полости 8. В результате пружина 7 сжимается, диафрагма 2 прогиба­ ется и клапан 4 опускается. Зазор между седлом и клапаном уменьшается, со­ противление протеканию жидкости через щель между ними возрастает, а следова­ тельно, давление под клапаном и в полости 8 падает. Клапан 4 совершает несколько колебательных движений и останавливается. Давление под клапаном 4, т. е. в выходном канале 5, становится первоначальным. При уменьшении давления в полости 7 все происходит в обратном порядке.

Для регулирования давления в выходном канале 3 редукционного клапана необходимо изменить затяжку пружины 7. При этом клапан 4 изменит свое пер­ воначальное положение, а следовательно, изменится сопротивление протеканию жидкости через него. Установленное в результате регулировки давление жидкос­ ти в выходном канале 3 поддерживается автоматически.

Иногда в насосном приводе гидравлического пресса необходимо регулиро­ вать давление и расход жидкости одновременно. В этих случаях используют дрос­ сельные устройства, представляющие собой комбинацию редукционного клапана и дросселя. Дроссельные устройства применяют для регулирования скорости ис­ течения жидкости из возвратных цилиндров при прямом холостом ходе. На рис. 8.15, б показано дроссельное устройство, состоящее из редукционного клапа­ на 7 и дросселя 2 (направление потока жидкости обозначено стрелками). Назначе­ ние редукционного клапана 7 - поддерживать давление перед дросселем 2 по­ стоянным, что обеспечивает постоянный расход жидкости несмотря на возможное повышение давления во входном канале дроссельного устройства. При этом поте­ ри на нагревание жидкости в нем остаются примерно постоянными.

260

Глава 8. Типовые конструкции узлов гидропривода

Рис. 8.16. Схема гидравлического конечного выключателя

Отличительная особенность дроссельного устройства - наличие полости //, которая связана каналом с приемником жидкости. Поэтому при малых расходах жидкости редукционный клапан эффективнее снижает давление, так как перепад давлений в полостях Я/и //возрастает, а следовательно, зазор /уменьшается.

Гидравлические конечные выключатели (рис. 8.16) используют для соеди­ нения цилиндров гидравлических прессов со сливной магистралью в определен­ ных точках хода подвижной поперечины. Принцип действия гидравлического конечного выключателя ясен из приведенной схемы: при нажатии упора на ро­ лик напор соединяется со сливом.

Наиболее широкое распространение золотниковые распределительные устрой­ ства получили в насосном безаккумуляторном приводе гидропрессовых установок, рабочей жидкостью которых является масло. Золотниковые распределительные устройства имеют некоторые преимущества перед клапанными, так как позволяют осуществить многопозиционность распределения. Наиболее распространены двух- и трехпозиционные золотники, позволяющие одновременно соединять один ци­ линдр пресса с источником жидкости высокого давления (например, насосом), а другой - со сливом. Недостаток золотниковых распределителей по сравнению с клапанными - меньшая герметичность перекрытия, что ограничивает область их применения давлениями рабочей жидкости до 20 МПа. Однако вязкость минераль­ ных масел высокая по сравнению с водными эмульсиями, поэтому золотниковые распределители обеспечивают достаточную герметичность даже без применения уплотнений в виде манжет или поршневых колец.

Перемещение золотников в золотниковых распределителях осуществляет­ ся вручную от рукоятки либо с использованием электромагнитов, монтируе­ мых на торцах корпуса распределителя, или вспомогательных механизмов (сервоприводов), которые работают от насосного привода управления или на сжатом воздухе.

На рис. 8.17 показана конструктивная схема трехпозиционного золотнико­ вого распределителя с электрогидравлическим сервоприводом. Золотниковый распределитель состоит из корпуса 77, главного золотника 70, корпусов 8 и 1, сервозолотников 2, электромагнитов 4. Главный золотник 10 предназначен для направления потока жидкости в цилиндры / или //. Нейтральное положение

261

Раздел IL ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРЕССЫ

С-С

От линии

управления

сТ

3

2

1

Рис. 8.17. Схема золотникового распределителя

золотника 10 изображено на рис. 8.17 - цилиндры I и II изолированы. Под дей­ ствием жидкости, подаваемой из сети управления под левый торец главного зо­ лотника, последний перемещается в крайнее правое положение. При этом цилиндр / соединяется с жидкостью высокого давления, а II - со сливом. В слу­ чае перемещения главного золотника 10 в крайнее левое положение, наоборот, цилиндр / соединяется со сливом, а // - с жидкостью высокого давления. Когда давление жидкости под торцами главного золотника 10 отсутствует, он под дей­ ствием пружин 9 возвращается в нейтральное положение.

Потоком жидкости управляют с помощью сервозолотников. При включении левого электромагнита 4 сервозолотник 2 опускается, направляя в левую полость главного золотника 10 поток жидкости из сети управления. Быстрота срабатыва­ ния главного золотника 2 регулируется иглой 6. При ввинчивании винта 7 игла 6 перекрывает отверстие и подача жидкости уменьшается. Избыток давления в сети управления сбрасывается с помощью обратного клапана 5. При отключении элек­ тромагнита 4 сервозолотник 2 под действием пружины 3 поднимается, соединяя

262

г л ава 8. Типовые конструкции узлов гидропривода

Рис. 8.18. Влияние формы золотника и щели на характер течения и гидравлические потери

левую полость главного золотника 70 со сливом. При этом золотник 10 под дейст­ вием пружин 9 возвращается в исходное положение.

Статическое давление жидкости на золотник уравновешивает реактивная сила потока жидкости (рис. 8.18, а), действующая в противоположном потоку направлении и равная произведению секундной массы расхода жидкости и его скорости:

^peaK=epV = V^pF^,

где F^ - площадь поперечного сечения щели; для круглых золотников F^ = ndx (см. рис. 8.18, а).

Согласно уравнению Бернулли, без учета потерь на трение

где к^ - коэффициент расхода.

Эта сила может быть значительной, поэтому ее необходимо учитывать при расчете и конструировании.

Для идеальной жидкости принимают, что скорость потока направлена под углом а к оси золотника, где может достигать 69°. Аксиальная составляющая Р^^ силы Ррезк будет стремиться уменьшить зазор между полкой золотника и кром­

263

Раздел IL ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРЕССЫ

Формула (8.9) справедлива также для случая обратного течения жидкости. При наличии радиального зазора 6 между полкой золотника и корпусом сила Р^к У^^" личится:

Р^^ = Inkd/Sp^x^ +6^ • cos а.

Чтобы уменьшить аксиальную составляющую реактивной силы, рекомендо­ вана приведенная на рис. 8.18, б конструкция золотника и втулки.

Зазор между полкой золотника и корпусом распределителя не должен пре­ вышать 3 мкм на каждые 25 мм ее диаметра; размеры и ход золотника выбирают из условия обеспечения требуемого расхода жидкости. Материалом золотника должна быть цементируемая сталь с поверхностной закалкой до 55 HRC3. Во избежание защемления золотниковых распределителей рекомендуют кромки полок и окон делать острыми. Это способствует перерезанию неметаллических грязевых частиц, имеющихся в жидкости. Чтобы уменьшить трение, предотвра­ тить защемление и увеличить герметичность уплотнения, на полках золотника делают кольцевые проточки.

8.4. Вспомогательные устройства

Аккумуляторы. Для накопления жидкости в периоды пауз и холостого хо­ да, а также расходования ее при рабочем ходе используют аккумуляторы. Нали­ чие аккумулятора позволяет выбирать мощность насосов при периодических кратковременных расходах жидкости высокого давления по средней мощности привода. Аккумуляторы рассчитывают на давления до 32 МПа (на большие дав­ ления редко, поскольку трудно обеспечить герметичность системы, которая по­ стоянно находится под давлением).

Аккумуляторы в насосном приводе прессов могут быть грузовые, поршне­ вые и пневмогидравлические, однако грузовые и поршневые аккумуляторы вви­ ду их громоздкости и возможности возникновения гидравлических ударов в настоящее время не используют. Пневмогидравлические аккумуляторы без раз­ деления воздуха и жидкости применяют только в тех случаях, когда рабочей жидкостью является водная эмульсия. Если рабочей жидкостью является мине­ ральное масло, которое способно в больших количествах растворять воздух, то рекомендуется использовать пневмогидравлические аккумуляторы с диафраг­ мами для разделения жидкости и воздуха или поршневые аккумуляторы.

Пневмогидравлический аккумулятор состоит из баллона для жидкости и ба­ тареи воздушных баллонов. Нормальное соотношение между вместимостью тех и других баллонов составляет примерно 1:10. При таком соотношении объемов воды и воздуха колебание давления жидкости не превышает 12 %. Внутренний диаметр баллона для жидкости устанавливают в зависимости от скорости паде­ ния уровня жидкости, которая не должна превышать 20 см/с.

264

Глава 8. Типовые конструкции узлов гидропривода

Рис. 8.19. График мгновенного расхода жидкости прессом {а) и принципиальная схема аккумулятора (б):

1 - средний расход жидкости за время рабочего хода; 2 - расход жидкости из аккумулятора; 3 - мгновенный расход жидкости в процессе рабочего хода; 4 - производительность насосов; 5 - мгновенный расход при обратном ходе

Необходимые размеры насоса и аккумулятора можно определять по приве­ денному на рис. 8.19, (3 графику мгновенного расхода жидкости прессом.

Объем жидкостного баллона складывается из количества жидкости, отда­ ваемой аккумулятором прессу, - рабочий объем //, а также нижнего аварийно­ г о / и верхнего резервного /// объемов (рис. 8.19, б). Аварийный объем необходим, чтобы не произошло полного опорожнения водяного баллона и прорыва воздуха высокого давления в систему пресса, если по каким-либо причинам замедленно сработает аппаратура управления аккумулятором и во­ время не закроется клапан минимального уровня. Аварийный объем жидкости должен быть таким, чтобы время полного опорожнения аккумулятора от мо­ мента включения аварийного сигнала было достаточным для его ручного от­ ключения. Из аналогичных соображений устанавливают верхний резервный объем. Расчет воздушного объема аккумулятора, соответствующего макси­ мальному давлению, проводят следующим образом.

Изменение давления воздуха в аккумуляторе в зависимости от его объема (при заборе жидкости) выражается уравнением политропы:

/7F" = const.

Показатель политропы п при/? = 20 МПа можно принимать равным 1,29... 1,30:

265

где p^^^, p^i^ - соответственно максимальное и минимальное давления в аккуму­ ляторе; Fj^jn, F^ax ~ соответственно минимальный и максимальный объемы воз­ духа в аккумуляторе; V^ - объем жидкости высокого давления, расходуемой прессом за один полный и аварийный циклы.

Согласно выражению (8.10),

Принимая Рт\п/Ртах ^ 0,9 И подставляя это значение в формулу (8.11), получаем

При п = 1,3

V • = 13F

mm

в связи С ЭТИМ аккумулятор имеет ряд контрольных уровней (см. рис. 8.19, б). Нижний аварийный уровень соответствует полному расходу рабочего объема жидкости из аккумулятора. При совпадении свободной поверхности жидкости с этим уровнем автоматический запорный клапан отключает магистраль от ак­ кумулятора и подается световой сигнал оператору. При наполнении аккумуля­ тора жидкостью можно наблюдать уровни, по достижении которых происходит последовательное переключение насосов на холостую работу. Когда жидкость достигает верхнего уровня, все насосы отключаются. По мере расхода жидкости насосы включаются в обратном порядке.

Баллоны аккумулятора изготовляют цельноковаными и сварными. Для конт­ роля уровней жидкости в баллоне используют датчики, преобразующие пере­ мещение свободной поверхности жидкости в электрические сигналы, которые регистрируются и в соответствии с которыми происходит автоматическое пере­ ключение регулирующих устройств гидропривода.

Наполнительный бак. На рис. 8.20, а показан наполнительный бак, пред­ назначенный для подачи жидкости низкого давления в рабочий цилиндр пресса при прямом холостом ходе, а также для приема ее из рабочего цилиндра при об­ ратном холостом ходе. Вместимость наполнительного бака определяют исходя из количества жидкости, необходимого для заполнения рабочего цилиндра прес­ са при полном ходе подвижной поперечины. Этот внутренний (полезный) объем бака называют маневровым V^^^.

Для предотвращения возможности попадания воздуха из бака в трубопровод объем жидкости в наполнительном баке принимают равным (1,8...2,5) V^^^. Дав­ ление жидкости в наполнительном баке в связи с изменением ее объема с доста-

266

Глава 8. Типовые конструкции узлов гидропривода

Рис. 8.20. Схемы наполнительного (а) и сливного (наполнительного) (б) баков

точной степенью точности изменяется по закону/7 К = const, где V - объем воз­ духа в наполнительном баке.

Принимают, что давление воздуха в конце наполнения рабочего цилиндра составляет 75 % от начального, т. ^.р^-щ = ^^^^ Ртах- Поэтому можно записать

р • (V+ V ) = р V.

/^min V '^ '^ ман / /^тах '^ *

После преобразований получаем

V=3V

Таким образом, полный объем F/ наполнительного бака

V, = (1,8...2,5)F,,„ + ЗГ,,„ = (4,8...5,5) Г,,„.

Здесь и далее цифры в индексах соответствуют принятым в схемах гидравличес­ ких прессов обозначениям элементов насосно-аккумуляторного привода: 1 - рабочий цилиндр; 2 - возвратный цилиндр; 3 - аккумулятор; 4, 5 - наполнительный и сливной бак соответственно; 6 - насос; 7 - мультипликатор.

267

Раздел IL ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРЕССЫ

Наполнительные баки изготовляют только сварными из листовой стали. В не­ которых случаях устанавливают непосредственно на рабочем цилиндре пресса. При большом удалении наполнительного бака от рабочего цилиндра в магистра­ ли, соединяющей их, устанавливают компенсатор гидравлических ударов.

Сливной (насосный) бак. Для хранения рабочей жидкости, необходимой для нормальной работы гидравлического пресса, используют сливные баки. Жид­ кость из него забирают насосы и подают к другим элементам гидравлической системы. Отработанная жидкость возвращается в сливной бак непосредственно из рабочего или возвратных цилиндров через главный распределитель или из наполнительного бака через переливной клапан по сливному трубопроводу. Из­ быточное давление жидкости в сливном баке равно нулю, поэтому его иногда называют открытым. Сливной бак должен иметь размеры, достаточные для приема жидкости из аккумулятора Fj, наполнительного бака V^, рабочих и воз­ вратных цилиндров пресса V1+V2. Полезный объем сливного бака

V,= \,5{V,+ V,+ V,+ V,).

Температура жидкости в сливном баке не должна быть выше 30...40 °С. В не­ которых случаях для охлаждения жидкости в баке устанавливают змеевики. Как правило, сливные баки имеют прямоугольную форму и изготовляются сваркой. Конструктивная схема сливного бака показана на рис. 8.20, б.

8.5. Уплотнительные устройства

Назначение уплотнительных устройств состоит в том, чтобы препятствовать утечке жидкости, находящейся под избыточным давлением, через зазор в стыке неподвижных или подвижных относительно друг друга поверхностей деталей.

Требования к уплотнениям следующие: обеспечение герметичности, малый коэффициент трения, высокая износостойкость самого уплотнения и уплотняе­ мых мест, инертность по отношению к материалу сопрягаемых изделий, надеж­ ность, простота конструкции, удобство в обслуживании и экономичность.

Все уплотнения подразделяют на неподвижные и подвижные. Неподвижные представляют собой кольца различного поперечного сечения, устанавливаемые в замкнутое пространство между уплотняемыми поверхностями (рис. 8.21). Они требуют такой предварительной затяжки, которая обеспечивала бы нераскрытие стыка при действии рабочего давления жидкости. В этом случае силу предвари­ тельной затяжки Рзат принимают согласно условию

при приложении давления р^ силы Р^ и ^Рпрокл? растягивающие болты и сжи­ мающие прокладку, с учетом предварительной затяжки определяют по формулам

268

Глава 8. Типовые конструкции узлов гидропривода

Рб=Р,^+Рз

прокл

где £'б, ^'прокл и /"б? ^прокл ~ модули упругости и площади поперечных сечений со ответственно болта и прокладки; /g, /„р^^^^ соответственно расчетная длина болта и высота прокладки.

Встречаются также самоуплотняющиеся неподвижные уплотнения. Неподвижные уплотнения изготовляют из красной отожженной меди, фиб­

ры, полихлорвинила, фторопласта или маслостойкой резины. Форма поперечно­ го сечения уплотнений - круглая, прямоугольная или квадратная.

Наиболее широкое распространение в качестве уплотнений подвижных эле­ ментов деталей в гидравлических системах прессов при давлениях более ЮМПа получили эластичные уплотнения манжетного типа, U-образные и уплотнительные кольца типа «Лайон». Эти уплотнения обеспечивают превышение давления в зоне контакта по сравнению с давлением жидкости. Давление в зоне контакта зависит от давления жидкости. Эластичные уплотнения обеспечивают хорошую герметич­ ность при неточности изготовления контактирующих поверхностей до 0,3 мм. Ма­ териалом эластичных уплотнений являются полихлорвинил, прорезиненные хлоп­ чатобумажные ткани (например, тонкая и прочная ткань домастик или грубая чефер, вулканизированная резина севанит). Кожу в настоящее время с этой целью не применяют, так как она вызывает эрозию плунжера в местах контакта.

Стойкость эластичных уплотнительных устройств зависит от состояния по­ верхности плунжера и смазки. Наиболее неблагоприятные условия их работы имеют место при отделочных операциях свободной ковки (шлихтовке), когда ход плунжера не превышает высоты уплотнения и плунжер не смазывается рабочей жидкостью. Для обеспечения смазки поверхности плунжера между кольцами уп-

Рб

пр а.

4шш1шш^

Рис. 8.21. Расчетная схема (а) и конструкция (б) неподвижного уплотнения

269